微電網帶負荷并網切換控制策略研究

李興旺,李金鑫,朱建軍,王燕廷,李洪立

(1.國網襄陽襄州供電公司,湖北 襄陽 441000;2.國網襄陽供電公司 檢修分公司,湖北 襄陽 441100;3.齊齊哈爾市電業局,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

(1.Xiang zhou Area of Xiangyang Power Supply Company,State Grid Xiangyang 441000,China;2.Maintenance Branch, State Grid Xiangyang Power Supply Company, Xiangyang 441100, China；3.Qiqihar Electric Power Bureau, Qiqihar 161006, China)

微電網帶負荷并網切換控制策略研究

李興旺1,李金鑫1,朱建軍2,王燕廷3,李洪立1

(1.國網襄陽襄州供電公司,湖北 襄陽 441000;2.國網襄陽供電公司 檢修分公司,湖北 襄陽 441100;3.齊齊哈爾市電業局,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

為研究微電網由孤島運行狀態平滑切換到并網運行狀態的控制策略,以下垂孤島控制方式的微電網為研究對象,利用MATLAB/simulink軟件建立了微電網模型,提出了基于電壓和頻率調節環及狀態跟隨的控制策略,使微網根據大網調節自身的電壓和頻率,有效減小了微電網兩種運行狀態切換過程中的暫態振蕩,實現了微電網由孤島到并網運行模式的平滑切換。仿真結果驗證了所設計的控制方法及策略的有效性。

微電網;下垂控制;平滑切換;控制策略

(1.Xiang zhou Area of Xiangyang Power Supply Company,State Grid Xiangyang 441000,China;2.Maintenance Branch, State Grid Xiangyang Power Supply Company, Xiangyang 441100, China；3.Qiqihar Electric Power Bureau, Qiqihar 161006, China)

微電網有孤島與并網兩種運行狀態[1-2]。正常情況下,微電網與大電網并網運行,大電網發生故障時,微電網由并網運行狀態過渡到孤島運行狀態。當大電網故障解除后,微電網又可以從孤島運行狀態平滑切換到并網運行狀態,從而保證向微電網區域內負荷不間斷供電[3]。因此,實現微電網孤島運行模式向并網運行模式的平滑過渡,可減小切換過程中的暫態振蕩對微電網所帶負荷的影響,保證微電網的可靠供電[4]。

目前,國內外專家主要從微網的模型、保護和控制等方面進行了研究,并取得了一定的成果。文獻[5]用PSCAD仿真軟件建立了微電網模型,通過仿真軟件研究了微電網由并網運行切換至獨立運行過程中的暫態振蕩情況。文獻[6]通過對下垂控制方式的微電網孤島運行小信號穩定分析獲得了一些規律。文獻[7]利用MATLAB/simulink軟件建立了微電網模型,提出了基于狀態跟隨的控制器平滑切換的控制方法。文獻[8]對微電網在下垂控制的孤島運行模式下,多機協調出力的控制策略進行了研究。但對微電網由下垂控制方式下的孤島運行模式向并網運行模式實現平滑切換的控制策略還沒有深入的研究。因此,本文提出了基于電壓、頻率調節環和基于狀態跟隨的控制器平滑切換的控制方法,有效抑制了微電網從孤島向并網運行切換時的暫態振蕩,并通過仿真驗證了所提出控制方法和策略的有效性。

1 微電網系統介紹

1.1 微電網的結構分析

本文建立的微電網結構如圖1所示。微電源由三相電壓源型逆變器設計而成,所帶負荷是RLC并聯負荷。微電網孤島運行時采用下垂控制方式,由自身提供電壓和頻率;切換至并網運行狀態時采用PQ恒功率控制方式,由大電網提供電壓和頻率以及調節。

圖1 微電網結構圖

1.2 并網控制器模型

并網控制器為PQ控制,控制器結構如圖2所示,分為兩部分:功率外環控制和電流內環控制。其中外環控制是恒功率控制,并為內環控制器提供電流參考值。

圖2 并網控制器結構

1.3 孤島控制器模型

孤島控制器由下垂控制和電壓控制兩部分組成。下垂控制部分利用下垂特性對功率進行合理分配[9],所得參考值可以直接用于微電源的控制。由于這是一種單環控制,微電源的輸出電壓受負荷不對稱和非線性的影響較大。下垂控制增加了電壓控制,為避免產生電壓波動,將其輸出值提供給電流內環控制器做為電流參考信號。下垂控制器結構如圖3所示。

圖3 下垂控制器結構

2 基于調節環的切換控制方法及仿真研究

微電網在孤島運行狀態下采用下垂控制方式時,微電網與大電網在電壓和頻率上會分別有一個偏差。如果偏差超過允許范圍,強行并網,會在狀態過程中產生較大振蕩,影響系統的穩定。因此,在下垂控制器中加入電網電壓和頻率調節環,使微網電壓和頻率能夠跟蹤到大網并自動調節,從而減小與大電網的偏差,最終實現平滑切換,如圖4所示。

圖4 下垂控制中電壓和頻率調節器

具體實現方法如下:頻率調節器首先將大網頻率fs與微網頻率fDG進行比較,其差值通過PI調節器并除以下垂系數KP,加入到有功功率給定值Pref側,然后微電網根據其調節自身有功功率的輸出,進而通過調節自身的頻率與大網頻率一致,從而減小并網時與大電網的頻率差值;同理,電壓調節器是將大網電壓Us與微網電壓UDG進行比較,所得差值通過PI調節器,然后除以下垂系數KQ,加入到無功功率給定值Qref上,微電網以此調節自身無功的輸出,進而通過調節自身的電壓與大網電壓保持一致,從而減小并網時與大電網的電壓差值,符合并網要求。

下面通過仿真驗證控制策略的有效性。仿真參數設定:電壓基準值Vbase=310 V,功率基準值Sbase=10 kVA;微電源額定功率Pref=0.4(p.u.),Qref=0.1(p.u.);微電源電壓VDG=380 V,頻率fDG=50 Hz;電網電壓VS=380 V,頻率fS=50 Hz;線路參數Rg=3 Ω,Xg=0.1 Ω,Rl=0.2 Ω,Xl=0.03 Ω;負荷額定功率為Pload=4000 W,Qload=1000 var;在0.5 s時微電網由孤島運行模式切換到并網運行模式。仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 切換過程中微電網電壓和頻率波形

Fig.5 Micro grid voltage and frequency waveform in switching process

圖6 切換過程中微電網有功和無功波形

Fig.6 Micro grid active and reactive waveform in switching process

從圖5、圖6仿真結果可以看出:在加入控制策略之前,切換過程中微網電壓U和頻率f的振蕩比較厲害,振幅也較大;加入控制策略之后電壓和頻率的振蕩明顯得到改善,但有功功率輸出P和無功功率輸出Q在切換過程的波動還是比較大。為解決這一問題,本文在此基礎上加入了基于狀態跟隨的切換控制方法。

3 基于狀態跟隨的切換控制方法

微電網孤島控制器和并網控制器完全不相同,因此要實現微電網從孤島到并網的平滑切換,就要同時通過邏輯開關實現孤島控制器到下垂控制器的切換。切換控制器結構如圖7所示,其中孤島控制器為下垂控制方式,并網控制器為PQ控制方式。

當微電網由孤島運行模式轉換到并網運行模式時,控制器由下垂孤島控制切換到PQ并網控制,但在兩種控制方式切換過程中會產生較大的暫態振蕩,如圖8所示。

圖7 切換控制器結構

圖8 并網切換過程微網的電壓和頻率波形

Fig.8 Voltage and frequency waveform of micro grid in synchronize and close switching process

通過對圖7、圖8分析發現,暫態振蕩是由于切換過程中孤島控制器與并網控制器的狀態不匹配造成的。當下垂孤島控制器運行時,PQ并網控制器也一直在運行,致使兩種控制器輸出狀態不同,切換時造成控制器輸出發生跳變,從而在切換中發生振蕩。為解決這些問題,采取了狀態跟隨的控制方法,其控制結構如圖9所示。將下垂控制器的輸出與PQ控制器的輸出差值作為PQ控制器的一個輸入,使PQ控制器在并網之前能跟隨下垂控制器的輸出,從而使兩個控制器的輸出狀態能夠保持一致。孤島運行時,K1、K4閉合,K2、K3開關打開;切換時,K1、K4打開,K2、K3開關閉合。

在加入電壓和頻率調節環的基礎上,同時加入狀態跟隨策略,可以更加有效解決并網過程中的暫態振蕩問題。仿真結果如圖10、圖11所示。其中,虛線為控制器上只加有電壓、頻率調節器時各參數在切換過程中的暫態波形,實線為在加有電壓、頻率調節器的基礎上,同時加入狀態跟隨控制時各參數的暫態波形。

圖9 基于狀態跟隨的切換控制圖

圖10 并網切換過程中微網電壓和頻率波形

Fig.10 Voltage and frequency waveform of micro grid in synchronize and close switching process

圖11 并網切換過程中微網有功和無功波形

Fig.11 Active and reactive waveform of micro grid in synchronize and close switching process

從圖10、圖11可以看出,兩種控制策略同時運用時,切換過程中微網電壓U和頻率f的暫態振蕩幅值更小,有功輸出P和無功輸出Q的振蕩幅度也得到有效控制。

4 結 論

1) 采用逆變器為接口的微電網模型,設計了下垂孤島控制和PQ并網控制器,并提出了微電網由孤島運行向并網運行切換過程的控制方法及策略。設計了電壓和頻率調節器,有效減小了電壓和頻率的暫態振蕩,并通過仿真驗證了控制策略的有效性。

2) 提出了基于狀態跟隨的切換控制策略,克服了電壓和頻率調節器的不足,更為有效地減小了微電網由孤島運行模式切換到并網運行模式過程中產生的暫態振蕩,實現了微電網的平滑切換,并通過仿真驗證了控制策略的有效性。

[1] 李國慶,孫維連,張宇陽. 計及分布式電源的配電網可靠性研究[J].黑龍江電力,2012,34(1): 01-04. LI Guoqing, SUN Weilian, ZHANG Yuyang. Research on the reliability of the distribution network with distributed power sup-ply [J]. Heilongjiang Electric Power, 2012, 34 (1): 01-04.

[2] 肖朝霞, 王成山, 王守相. 含多微型電源的微網小信號穩定性分析[J].電力系統自動化,2009,33(6):61-66. XIAO Zhaoxia, WANG Chengshan, WANG Shouxiang. Small-signal stability analysis of microgrid containing multiple micro sources [J]. Automation of Electric Power Systems, 2009,33(6):61-66.

[3] 孟明,原亞寧,郭明偉.直流微電網并網運行協調控制策略研究[J]. 黑龍江電力,2014,36(4):291-295. MENG Ming, YUAN Yaning, GUO Mingwei. Research on grid-connected coordinated control strategy for DC micro-netw-ork [J]. Heilongjiang Electric Power, 2014,36(4):291-295.

[4] 王林川,鄭妍.并聯型有源電力濾波器直流側電壓控制策略的研究[J]. 黑龍江電力.2014,42(11):321-323. WANG Linchuan, ZHENG Yan. Research on control strategy for voltage at DC side of paralleled active power filter [J]. Heilongjiang Electric Power, 2014,42(11):321-323.

[5] 羅建中.分布式微型電網并網研究[D].長沙:湖南大學,2009. LUO Jianzhong. Research on distributed microgrid connecting into the network [D]. Changsha: Hunan University, 2009.

[6] 王文帝,徐青山,丁茂生,等.基于小信號建模的微電網下垂控制穩定性分析[J].現代電力,2014,31(3):17-21. WANG Wendi, XU Qingshan, DING Maosheng, et al. Stability analysis on droop control of microgrid based on small-signal model [J]. Modern Electric Power, 2014,31(3):17-21.

[7] 王燕廷,微電網并網與孤島運行的研究[D].吉林:東北電力大學,2011. WANG Yanting. Research on grid-connected microgrid and island running mode [D]. Jilin: Northeast Dianli University, 2011.

[8] 蘇虎,曹煒,孫靜,等.基于改進下垂控制的微網協調控制策略[J]. 電力系統保護與控制,2014,42(11):92-98. SU Hu, CAO Wei, SUN Jing, et al. Micro-grid coordinated control strategy based on improved droop control [J]. Power System Protection and Control, 2014,42(11):92-98.

[9] 吳振奎,宋文雋,張繼紅,等.低壓微電網平滑切換虛擬坐標變換下垂控制策略[J].電氣技術,2014,33(5):60-64. WU Zhenkui, SONG Wenjun, ZHANG Jihong, et al. Control strategy of LV microgrid based on virtual frame transformation droop control [J]. Electrical Engineering, 2014,33(5):60-64.

(責任編輯 侯世春)

Control strategies of smooth-switching for microgrid connecting to grid with loads

LI Xingwang1, LI Jinxin1, ZHU Jianjun2,WANG Yanting3,LI Hongli1

In order to study the control strategy for smooth-switching of microgrid from islanded mode to parallel mode, this paper, taking the microgrid with droop control operating in islanded mode, establishes microgrid mode by MATLAB/simulink, proposes a corresponding control strategy adjusting the voltage and frequency, and another control strategy based on controller status followed, so microgrid can adjust the voltage and frequency according the grid. These strategies can reduce the transient oscillations in the switching of microgrid, and achieve the smooth-switching of microgrid from islanded mode to parallel mode. The simulation proves the effectiveness of the control strategies.

microgrid; droop control; smooth-switching; control strategies.

2015-02-20。

李興旺(1985—)，男，碩士研究生，研究方向為微電網。

TM732

A

2095-6843(2015)04-0353-04